频域测量ok课件

第6章频域测量扫频仪，又称频率特性测试仪，用来测定各种有源、无源二端口和四端口网络（如调频放大器、宽频放大器、各种滤波器、鉴频器、雷达等）的传输特性、阻抗特性和反射特性等。6.1.1常用术语1.扫频信号发生器2.扫频仪3.有效频率范围4.扫频宽度5.扫频中心频率6.扫频方式7.自动扫频8.手动扫频9.触发扫频10.单次触发扫频11.对数扫频12.起止扫频13.标志扫频14.窄带扫频外扫频15.频率标志16.分辨率17.扫频线性误差18.扫频时间

1、线性电路幅频特性的测量

在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数N()就反映了该系统激励与响应间的关系式中(或写成)与(或写成)分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.图6.1—1点频法测量系统的幅频特性图6.1—1点频法测量系统的幅频特性

点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。另外当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线。这种快速直观的测量方法就是扫频法测量的基本思想，提供频率可自动连续变化的正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡器。图6.1—2扫频法测量网络频率特性原理图6.1—2扫频法测量网络频率特性原理图6.1—2扫频法测量网络频率特性原理

振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变，uo的包络就反映了该放大器的幅频特性(图(d))，经峰值检波器检出输出信号的包络(图(e))，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号us加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号ui的瞬时频率和水平扫描电压us的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率坐标轴。这样在us和的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。

和点频法相比，扫频法具有以下优点：①可实现网络的频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一边调节电路中有关元件，一边观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求.②由于扫频信号的频率是连续变化的，因此所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中的频率点离散而遗漏掉细节的问题。③点频法中是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，而后者更符合被测电路的应用实际。

2、扫频仪的基本构成

1．扫频仪的基本方框图图6.1—3中(a)是扫频仪原理框图，(b)是BT—4型低频(200H2—2MH2)扫频仪框图。图(a)中几个主要部分的功能如下。

时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信号是锯齿波或三角波(这是最常用的情况)，则扫频规律就呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。图6.1—3扫频仪原理框图图6.1—3扫频仪原理框图

2．扫频振荡器的工作原理实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的返波管法、YIG（亿铁拓榴石）谐振法等。下面简单介绍前两种方法。

(1)磁调电感法磁调电感法原理图如图6.1—4，图(a)中L2、C谐振回路的谐振频率f0为：(1)图6.1—4磁调电感式扫频法原理

式中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数成正比。(2)式中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着改变，再由式(1)、(2)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。

(2)变容二极管法由式(1)可知，如果能用扫描信号改变谐振电路中电容量C的大小，也能使谐振频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是基于这一原理。图6.1—5是变容二极管特性曲线，这种二极管的特性可表示为：式中Cj0为变容二极管反向电压为零时的结电容，r为电容变化系数，UD为PN结势垒电压，U为加到变容二极管两端的反向电压。(1)*3、变容二极管

前面所叙述的仅是磁调电感法和变容二极管法产生扫频振荡的最基本原理，实际扫频振荡器中还有许多其他电路，用以增大扫频振荡的频率复盖系数，改善扫频线性等。许多扫频仪中，还将扫频振荡器分成几个波段，用以扩大扫频范围，而在不同扫频波段，可能采用不同的扫频振荡方式，用手工切换或自动切换各个频段。6.2扫频仪工作原理6.2.1

整机电路原理框图它主要由扫频信号源和显示系统两大部分构成。1、扫频信号源的构成及功能扫频信号源由扫频单元、频标单元和衰减器三部分组成，在控制信号的作用下要求扫频信号源具有以下功能:能产生频率做线性变化的扫频信号；这个扫频信号的输出是等幅的，且具有一定的功率；扫频信号的频偏应尽可能大且中心频率可调；要求扫频信号的线性度良好；能产生和扫频信号同步的频率标记；输出阻抗要恒定。2、显示系统的构成及功能对于显示系统而言，主要的要求有两点:(1)轨迹明亮而清晰;(2)在不失真的前提下要有足够高的增益。显示系统主要由斜波电压发生器，x，y轴通道放大器及示波管等电路构成。6.2.2单元电路工作原理1.扫频单元2、固定振荡器3、扫频振荡器4、混频器和低通滤波器6.3频标单元1、单一频标产生的工作原理2、产生多个频标的工作原理

以10MHz通用频标为例来说明获得多个频标的工作原理：10MHz频标3、频标单元电路分析本电路包括四个部分：10MHz晶振、隔离放大器、波发生器及混频滤波电路。6.4Y通道单元Y通道单元的具体要求为：有较高的输入阻抗;有较好的频率特性;要求有较小的漂移;*6.5操作使用以BT-3GIII型频率特性测试仪为例来详细介绍扫频仪的使用方法。1、BT-3GIII型频率特性测试仪的面板布置2、旋钮的名称与作用（1）显示器的旋钮与作用亮度：用来调节扫描线的亮度，顺时针调整，亮度最大，反之则扫描线最暗。聚焦：调整该旋钮可使扫描线光滑清晰。水平校准：当扫描线不能和水平刻度线重合时，可加以调整。Y输入：通常接检波探头的输出端。对于含有内检波的四端网络，该网络的输出可直接加到Y输入。Y增益：用于调节输入信号的大小，以使得被测信号能直观地显示在屏幕上。⑥位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。Y位移：通过旋钮的来回调节，可使整个扫描曲线上下移动。Y轴衰减选择挡：共分为*1、*10、*100三挡，应和Y增益配合使用，通过不同挡的选择，可改变整个Y轴的增益与扫描曲线的高度。（2）扫频信号源的旋钮与作用中心频率：调节该旋钮，可使需要的中心频率置于屏幕的中心位置。扫频宽度：调节该旋钮，可得到合适的扫频带宽。输出衰减：输出衰减共分七挡，通过不同的组合，可得到不同的衰减量，它的设置可以改变扫频信号的输出幅度。扫频输出：扫频信号的输出端，通常接到被测四端网络的输入端。（3）频标信号发生器的旋钮与作用频标选择频标幅度外接频标3.使用方法（1）使用前的准备工作将检波探头推入自校准插座，并将自校准插头接扫频输出插座，检波输出插头接Y输入。如图6.5.2所示:（2）频标识别将频标选择旋钮置于10/1位置，中心频率置于起始处，此时屏幕中出现不同于菱形频标的特殊标识，称作零拍。顺时针转动中心频率旋钮，会发现零拍及右边的大小频标逐渐左移。其中幅度大的为10MHz频标，幅度小的为1MHz频标，如图6.5.3（a）所示。将频标选择旋钮置于50位置，扫频特性曲线如图6.5.3（b）所示，在零拍右面的第一个频标为50MHz，第二个频标为100MHz，其余依次类推。（3）扫频宽度不同的四端网络有着不同的频带，预置扫频宽度太窄，被测曲线在水平方向会很小；预置扫频宽度太宽，被测曲线在水平方向会很大。因此调节扫频宽度旋钮会得到合适的扫频宽度。（4）中心频率读取不同的四端网络除了有不同的频带之外，还有不同的中心频率，预置中心频率过高，被测曲线会在右面，预置中心频率过低，被测曲线会在左面。调节中心频率旋钮，使得中心频率在屏幕中央，就可以对称地观察被测曲线。图6.5.4示出了中心频率为20MHz扫频宽度为24MHz的校准曲线。需要说明的是，中心频率20MHz是在0拍右面的第2个大频标。

*4、BT—3型扫频仪

l.扫频仪的主要性能要求扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求.(1)中心频率范围大且可连续调节。中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率。不同测试对象对中心频率要求也不同。(2)扫频宽度(频宽)要宽且可任意调节。频偏是指扫频信号的瞬时频率与中心频率的差值。显然，频偏应能覆盖被测电路的通频带，以便测绘该电路完整的频率特性曲线。例如测试电视接收机中的图像中频通道，要求频偏达±5MHz，测试伴音中频频道时，频偏只需±0.5MHz。

(3)寄生调幅要小。理想的调频波应是等幅波，因为只有在扫频信号幅度保持恒定不变的情况下，被测电路输出信号的包络才能表征该电路的幅频特性曲线.(4)扫描线性度好。当扫频信号的频率和调制信号间成线性关系时，示波管的水平轴则变换成线性的频率轴，这时幅频特性曲线上的频率标尺将均匀分布，便于观察。在测试宽带放大器时若使用对数幅频特性，则要求扫频规律和扫频电压之间是对数关系。

*5.BT—3型频率特性测试仪(扫频仪)BT—3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的高频放大器、电视接收机各通道频率特性，也可用于鉴频器测试，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图6.5—6所示，主要由扫频信号发生器、频标发生器、显示器及电源等四部分组成。面板图示于图6.5—7。*图6.5—6BT—3扫频仪原理框图*图6.5—7BT—3面板图

BT—3型扫频仪的主要技术性能：①中心频率：在1～300MHz内可任意调节，分1～75MHz，75～上50MHz，150～300MHz三个波段；②扫频频偏：最大频偏±7.5MHz；③扫频信号输出：输出电压≥0.1V(有效值)，输出阻抗75Ω～；④寄生调幅系数：最大频偏时<±7.5％；⑤调频非线性系数：最大频偏时<20％；⑥频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。*6.6测试实例1、单调谐回路的扫频测量（1）单调谐回路的电路原理图（2）扫频仪各旋钮预置如下：将-/+置于+，AC/DC置于DC，Y衰减置于×1;扫频输出衰减旋钮置于0dB;频标选择旋钮置于10/1MHz;扫频宽度旋钮置于>5MHz；将低阻检波器和自校准插座分别接Y输入和扫频输出插座，调整Y增益使得扫描曲线为5大格，并记下此值。（3）扫频仪与单调谐回路的连接方法：注意：检波器为高阻检波器，扫频输出为带鳄鱼夹的高频电缆。（4）调节输出衰减为47dB，单调谐回路的幅频特性曲线:该单调谐回路的增益为47dB，即放大量为100余倍。2、双谐调回路的扫频测量步骤如下：双谐调回路原理图：扫频仪各旋钮预置如实例1；扫频仪与双谐调回路的连接方法与实例1相同；调整输出衰减为50dB，被测双谐调回路的幅频特性曲线如图：3、相位鉴频器的扫频测量相位鉴频器的特性曲线4、利用扫频仪测量振荡器的振荡频率5、用扫频仪测量无源的高通滤波器高通滤波器电路原理图1频道高通滤波器特性曲线6、主要技术指标扫频范围：1~300MHz；扫频宽度：>100MHz;扫频非线性：<+-5%；输出电压：0.5V(3.33mW)+-10%;输出平坦度：+-0.25dB;输出衰减：0~70dB,1dB步进；输出阻抗：75欧；频率标记：50MHz、10MHz/1MHz复合及外接三种，外接频标灵敏度优于300mV；显示部分垂直灵敏度：优于20mV(峰-峰）/cm;显示屏幕有效尺寸：100mm*80mm。*6.7频谱分析仪工作原理6.7.1时域和频域的关系常见电信号波形图与频谱图的对应关系表中纯正弦波，只显示一条谱线，f0=1/T，线高等于正弦波的幅值；方波含有1,3,5...奇次谐波；三角波与梯形波也含有1,3,5...奇次谐波，但各分量的幅值与方波不同；而锯齿波含有1,2,3...各次谐波，按自然数排列。这些均可通过傅里叶级数求出。6.7.2频谱分析仪的分类频谱分析仪按其工作原理分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪两大类。实时频谱分析仪按工作原理又可分为多通道（信道）滤波式、时基压缩式、扫频超外差